电测与计量课程设计有源带通滤波器Word文档格式.docx
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课程设计调试情况（30％）：
课程设计总结报告与答辩情况（25％）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
电测与计量课程设计任务书
学生姓名：
一、课程设计题目：
有源带通滤波器
二、课程设计要求
1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，独立进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；
2.查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数，对设计方案进行仿真；
3.完成预习报告，报告中要有设计方案，设计电路图，还要有仿真结果；
4.进实验室进行电路调试，边调试边修正方案；
5.撰写课程设计报告——最终的电路图、调试过程中遇到的问题和解决问题的方法。
三、进度安排
1．时间安排
序号
内容
学时安排（天）
1
方案论证和系统设计
2
完成电路仿真，写预习报告
3
电路调试
4
写设计总结报告与答辩
合计
5
设计调试地点：
电气楼410
2．执行要求
课程设计共5个选题，每组不得超过2人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的详细电路（包括计算和器件选型）。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告雷同。
摘要
在本次课程设计中，有源带通滤波器可由有源低带滤波器与有源高通滤波器组成，因此将有源低通滤波器截止频率为20kHz,有源高通滤波器的截止频率为10Hz.考虑到实验时间比较紧，实验的仪器比较简单，我们小组最后决定使用两个二阶的滤波器串联而成的四阶滤波器。
通过理论计算、仿真实验，我们最终选定了一组能充分利用这两级电路各自优点的参数，使得这个四阶带通滤波器不仅能在通带中保持较平的幅度特性，还能从通带到阻带迅速衰减。
我们利用Multisim10.0进行电路仿真，对理论设计方案进行了一番校正。
在实际电路的搭建中，我们利用了信号发生器产生输入不同频率的正弦信号、利用示波器观察输出信号波形，记录若干个不同频率信号输入时的输出信号峰峰值，并利用这些数据绘制电路的幅频特性曲线。
通过这个图，我们发现实际搭出来的电路的中心频率出现在15kHz附近，在10kHz处幅频响应衰减了大约2.589dB，在20kHz处幅频响应衰减了大约2.563dB，在通带范围内增益约为-0.5dB，在阻带范围内，幅频响应迅速衰减。
关键词：
巴特沃斯、带通滤波器、幅频特性
Abstract
Duringthecoursedesign,activebandpassfilterbyactivelowbandfilterandactivehigh-passfilter,sotheactivelowpassfiltercutofffrequency20kHz,activehigh-passfiltercutofffrequency10Hz.consideringthetighttime,experimentalequipmentisrelativelysimple,wefinallydecidedtousetwotwoorderfilterconnectedinseriesandthefourorderfilter.Bytheoreticalanalysis,simulationexperiment,weselectedagroupcanmakefulluseoftheadvantagesoftwostagecircuitparameters,thefourorderbandpassfiltercannotonlyinthepassbandofrelativelyflatamplitudecharacteristic,butalsofromthepassbandtostopbandattenuation.WeuseMultisim10circuitsimulation,thedesignschemeforacorrection.Intheactualcircuitstructures,weusesignalgeneratorgeneratesdifferentinputfrequencysinusoidalsignal,usingoscilloscopetoobservetheoutputsignalwaveform,recordingapluralityofdifferentfrequencysignalsareinputoutputsignalpeakvalue,andusethesedatatodrawcircuitamplitudefrequencycharacteristiccurve.Throughthispicture,wefoundthattheactualrideoutcircuitcenterfrequencyinnear15kHz,in10kHzamplitudefrequencyresponseattenuationofapproximately2.589dB,in20kHzamplitudefrequencyresponseattenuationofapproximately2.563dB,inwithinthepassbandgainwasabout-0.5dB,thestopbandrange,frequencyresponseattenuation.
Keywords:
Butterworth,bandpassfilter,theamplitudefrequencycharacteristics
目录
电测与计量课程设计成绩评定表…………………………………………………………………2
电测与计量课程设计任务书………………………………………………………………………3
摘要及关键词………………………………………………………………………………………4
正文
第一章系统方案设计……………………………………………………………………………1
一、有源带通滤波器简介……………………………………………………………………1
二、工作原理…………………………………………………………………………………1
三、设计要求…………………………………………………………………………………2
四、实验原理和设计思路……………………………………………………………………2
第二章仿真……………………………………………………………………………………3
一、低通滤波器设计…………………………………………………………………………4
1、低通滤波器的波特分析…………………………………………………………………5
2、低通滤波器的波形分析…………………………………………………………………5
二、高通滤波器设计…………………………………………………………………………6
1、高通滤波器的波特分析…………………………………………………………………6
2、高通滤波器的波形分析…………………………………………………………………7
第三章电路调试………………………………………………………………………………8
一、搭建电路…………………………………………………………………………………8
二、实验数据…………………………………………………………………………………8
三、利用示波器观察…………………………………………………………………………9
第四章结论……………………………………………………………………………………10
一、实验分析…………………………………………………………………………………10
二、实验结论…………………………………………………………………………………10
三、PCB图的绘制…………………………………………………………………………11
第五章心得体会与建议………………………………………………………………………12
一、心得体会…………………………………………………………………………………12
二、建议………………………………………………………………………………………12
参考文献…………………………………………………………………………………………13
附录1：
元器件清单………………………………………………………………………………14
第一章系统方案设计
一.有源带通滤波器简介
带通滤波器（band-passfilter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。
比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。
带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。
一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路（RLCcircuit）。
这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。
二.工作原理
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。
实际上，并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。
通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。
然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。
这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。
除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。
在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。
三.设计要求：
要求频率范围10-20kHz
f1=10Hzf2=20kHz
四.实验原理和设计思路
有源带通滤波器可由有源低带滤波器与有源高通滤波器组成，因此将有源低通滤波器截止频率为20kHz,有源高通滤波器的截止频率为10Hz.考虑到实验时间比较紧，实验的仪器比较简单，我们小组最后决定使用两个二阶的滤波器串联而成的四阶滤波器。
下表为巴特沃思低通、高通电路阶数N与增益G的关系
阶数N
6
8
增益G
一级
1.586
1.152
1.068
1.038
二级
2.235
1.337
三级
2.483
1.889
四级
2.610
最终电路图如下：
第二章仿真
由上表可找四阶巴特沃思滤波器的Avf1=2.235。
由于所需要的通带增益为0dB,因此在低通滤波器输入部分加了一个由两电阻组成的分压器，
R10=18kΩ，R2=12kΩ。
交流小信号分析：
（1）低通滤波器设计
有源低通滤波电路一般都是由RC滤波电路和同相比例放大电路组成。
电路输入电压频率越大，输出电压的幅值越小。
当电压的幅值减小到原幅值的1/√2倍时，此时的频率即为截止频率。
我们用2阶巴特沃思滤波器来实现低通滤波功能。
选定C=1nF和fH=20kHz,，由公式：
ɯ=1/RC
得R3=7.92kΩ,由于Avf1=1.586,同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端对地直流电阻基本相等，R6=68kΩ，R8=82kΩ。
R5=（Avf1-1）*R6=39.8kΩ。
低通滤波器的波特分析：
从波特图更能看出在20kHz处的衰减，大概为3dB.
低通滤波器的波形分析：
从示波器波形可以进行计算得出：
输入信号于20kHz处的幅值相比于15kHz处为0.707倍，符合-3dB要求；
而相位滞后小于π/2，符合设计初衷。
（2）高通滤波器设计
高通滤波器与低通滤波器相似，只是将电阻电容交换了位置，
C=1nF,fL=10kHz,使用上述公式可得R7和R4为15.9kΩ。
R8=82kΩ，R4=（Avf1-1）*R5=48kΩ。
高通滤波器的波特分析：
从上图知当f小于10kHz时，信号有衰减，仔细了解参数后，得出约为3dB的衰减，说明电阻电容设计正确。
高通滤波器的波形分析：
输入信号于10kHz处的幅值相比于15kHz处为0.707倍，符合-3dB要求；
而相位超前小于π/2，符合设计初衷。
第三章电路调试
一、搭建电路
仿真成功后，我们开始准备搭构电路所需的元件，并思考有关电路布局的问题。
实际塔出的电路如下：
二、实验数据
我们利用示波器对这个电路进行了一些测试，波形见下一部分，实验数据见下表：
输入信号：
Vi=1.285V
表1原始实验数据及其处理
f/kHz
10
12
15
V0/V
0.110
0.255
0.855
0.925
1.105
L（ω）/dB
-21.350
-14.047
-3.539
-2.855
-1.311
18
20
25
30
0.850
0.725
0.565
-3.590
-4.791
-7.137
其中，
是输入信号频率，
是输出信号的峰峰值，
是电路增益的分贝值。
三、利用示波器观察
我们利用示波器观察到的几个波形如下：
中心频率f=15kHz示波器波形：
低通频率fL=20kHz示波器波形：
高通频率fH=10kHz示波器波形：
更低频率f=5kHz示波器波形：
更高频率f=30kHz示波器频率：
第四章结论
一、实验分析
实验数据的处理见表1。
根据表1，我们绘得实际电路的幅频特性曲线如下：
二、实验结论
由表一可知，实际搭出来的电路的中心频率出现在15kHz附近，在
处幅频响应衰减了大约
，在
，在通带范围内增益约为
，在阻带范围内，幅频响应迅速衰减。
可见，实际电路基本符合要求。
三、PCB图的绘制
我们利用AltiumDesignerRelease10绘制的PCB图如下：
其中电容电阻选择为C0805封装
第五章心得体会与建议
一、心得体会
在这次课程设计中，我主要有以下这么几点体会：
第一，实践与理论存在不同。
在这次课设中，我们初期的电路设计方案是一个二阶的巴特沃斯带通滤波电路。
根据设计要求和相关的公式，我们选定了一组参数。
可是，我们万万没有想到在进行电路仿真时便出现了一个十分棘手的问题：
这个电路无论如何没有办法实现在
及
处的幅频响应各衰减
（实际只有不到
）。
在测试了多组参数后，我们终于意识到我们对于巴特沃斯滤波电路的认识存在误区（从通带到阻带的衰减速度很慢），我们想当然地认为中心频率
一定是出现在高、低通滤波电路波特图的0衰减处（而实际上，是在高通和低通衰减线的交点处）。
此外，实际环境千差万别，与理想化的理论分析甚至是仿真分析中大相径庭。
比如，我们在这次课设实际电路的搭建中所选用的电阻阻值便与之前的仿真电路图不一样，这是经过调试的结果。
因为实际信号发生器的输出阻抗与因不同机器而不同，倘若只满足于仿真结果，滤波器输出的波形会产生强烈的衰减。
实验环节确确实实有助于工程经验的积累。
我体会最深的一点是：
在做实验中，要勤于思考、学以致用，要坚持理性分析问题、密切联系书本知识和以往实践经验的原则，不要一遇到问题就不知所措，不要不假思索、盲目地去做实验。
因此，在以后的日子里，我们将会本着一种更加务实的态度，将课内知识学好、学扎实、学透彻。
二、建议
1、建议实验室增加元器件的供给量。
在这次课设中，有很多需要电阻没有找到。
我们在选定电路的参数时，其实已经选择了标准电阻。
此外，面包板过于陈旧，有很多孔已坏，给我们的调试带来很多麻烦。
2、建议实验室加大对于实验仪器的维护与更新的频率。
在这次课设中，特别到了后期，想找到一台功能正常的模拟示波器、信号发生器很困难（当然这也与做实验的人太多有关）。
此外，直流电源多有杂波，万用表数量太少。
参考文献
［1］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007
［2］蒋焕文、孙续，电子测量，中国计量出版社，2009
［3］康华光，电子技术基础模拟部分（第五版），高等教育出版社，2006
元器件清单
1、元件清单
集成运放（
、
）：
LM324M
电阻：
；
。
电容：
2、元件的相关资料
下面是LM324M的封装与管脚图：
LM324M的封装与管脚图
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